東亞夏季氣溶膠—云—降水分布特征及其相互影響的資料分析

石睿 王體健 李樹 莊炳亮 蔣自強 廖鏡彪 殷長秦

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東亞夏季氣溶膠—云—降水分布特征及其相互影響的資料分析

石睿 王體健 李樹 莊炳亮 蔣自強 廖鏡彪 殷長秦

南京大學大氣科學學院，南京210093

東亞季風氣候受到自然因素和人類活動的共同影響，而人類活動因子中氣溶膠的作用尤為關鍵，采用診斷分析的手段研究東亞地區氣溶膠的特征及其與云和降水的相互關系具有重要的科學意義。本文利用MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）氣溶膠和云資料以及TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水數據，分析了東亞夏季氣溶膠、云、降水的時空分布特征，研究了氣溶膠與云和降水的相互關系。結果表明：中國四個典型地區（珠三角、長三角、四川盆地、京津唐）2001～2011年夏季（6～8月）平均氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）變化范圍為0.40～0.68，云光學厚度平均值為18.7～23.6，水云云滴有效粒子半徑在20.2～25.6 μm，冰云有效粒子半徑在12.9～15.3 μm，云水路徑為222.2～243.8 gm?2，降水強度平均值3.6～8.6 mm d?1；珠三角氣溶膠光學厚度有顯著降低趨勢，年傾向為－3.31%，四川盆地云滴有效粒子半徑（冰云、水云）和云水路徑年變化趨勢為－0.42%、－0.49%和－1.26%，京津唐夏季降水量年增幅為3.24%。氣溶膠光學厚度和云光學厚度呈正相關，相關系數最大為0.77；在相對濕度較低（30%～50%）情況下，氣溶膠光學厚度與云滴有效粒子半徑呈負相關；氣溶膠光學厚度與云水路徑呈正相關，相關系數最大為0.92；相對于低污染情況（AOD＜0.5），高污染情況（AOD＞0.5）下出現大雨（＞10 mm d?1）的頻率增加了6.6%～19.1%，小雨（＜1 mm d?1）的頻率減少了0.72%～7.3%。在水汽含量較少的情況下，氣溶膠的增加導致云滴有效粒子半徑的減少；氣溶膠增強了南方地區的對流性降水，抑制了北方地區層云降水。

氣溶膠 云 降水 衛星資料

1 引言

氣溶膠是大氣中懸浮的直徑0.001～10微米的固態或液態顆粒的總稱。大氣中氣溶膠主要來源分為兩類，一類是自然源，包括火山噴發、沙塵、海水濺沫和生物排放等；另一類是人為源，包括各種生產和生活活動，如化石燃料的燃燒、金屬的冶煉等，除了直接向大氣中排放的粒子之外，還包括有NO和SO2通過化學反應形成的二次氣溶膠。氣溶膠對氣候有著重要的影響：一方面，其能夠改變大氣反照率；另一方面，其作為云凝結核改變了云的反照率和降水效率、增加了云的壽命；此外，吸收性氣溶膠加熱大氣會導致云中水汽蒸發等（IPCC，2007）。

國內對氣溶膠的氣候效應模式研究較多（Li et al., 2009；Wang et al., 2010；Zhuang et al., 2010, 2011, 2013），氣溶膠—云—降水的關系研究方法主要包括觀測資料分析和模式模擬。觀測資料來源包括地面觀測、飛機采樣和衛星遙感，Li et al.（2011）利用美國南部大平原的長期觀察資料，研究了氣溶膠對云的垂直運動和降水的影響，提出了在液水路徑較高的情況下，氣溶膠數濃度的升高增加了降水，在液水路徑低的情況下則抑制降水。黃夢宇等（2005）利用機載粒子探測系統（PMS）探討了氣溶膠對云的影響，結果表明云下氣溶膠數濃度與云滴數濃度之間存正相關關系。馬月和薛惠文（2012）利用CloudSat和MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）數據研究了氣溶膠對層積云的影響，在云中液水路徑一定的情況下，氣溶膠增加可以使得云滴尺度減小。Zhao et al.（2006）利用MODIS數據和臺站降水資料，分析指出氣溶膠增多是導致中國東部降水減少的原因。Lee et al. （2008）利用WRF模式模擬研究表明在氣溶膠濃度較高時，由于強烈的輻合抬升作用，深對流降水增加。岳治國等（2011）則得到不同的結果，氣溶膠的增加造成了大雨、中雨和小雨的降水量均減少。

氣溶膠對云、降水的影響受到了水汽條件、云頂溫度和云中垂直速度等氣象條件的影響，三者之間相互關系較為復雜（段婧和毛節泰，2008；郭學良等，2013）。國內對氣溶膠—云—降水的研究主要集中于模式模擬和地基資料的分析，對三者大范圍的時空分布和相互關系關注較少。本文利用多種衛星產品長期觀測資料，分析氣溶膠、云、降水的時空分布特征，研究氣溶膠—云相互影響，探討氣溶膠增加對夏季降水的影響。

2 資料與方法

為了研究氣溶膠—云—降水的時空分布特征及其相互影響，本文選取2001～2011年夏季（6～8月）的資料包括：

（1）中分辨率成像光譜儀（MODIS）是搭載于Terra/Aqua衛星上的光學遙感儀器，提供了從可見光波段（0.4 μm）到中紅外波段（14 μm）的全球觀測資料，包括氣溶膠、云、海洋和陸地等特征的高分辨率信息。本文采用的是Terra衛星的大氣三級標準數據，包括月平均和日平均全球氣溶膠光學厚度資料（AOD），云光學厚度資料（COD），云滴有效粒子半徑資料（CER），云水路徑資料（CWP），云頂溫度資料（CTT），水平分辨率為1°×1°（Kaufman et al., 1997）；

（2）熱帶降水測量計劃TRMM是美國和日本合作的降水測量計劃，其搭載的PR降水雷達可以提供50°S～50°N范圍內的降水信息。本文采用了3B43數據集的月平均和3B42數據集的日平均降水資料產品，水平分辨率為0.25°×0.25°；

3 結果與分析

3.1 氣溶膠—云—降水的分布特征

3.1.1 氣溶膠光學厚度時空分布

氣溶膠光學厚度的空間分布在過去的十年中有著顯著的變化，2001～2011年夏季平均氣溶膠光學厚度分布情況如圖1a所示。氣溶膠光學厚度高值主要集中于長三角地區（包括江蘇省、浙江省和上海市）、珠三角區域（主要是廣東省）、京津唐工業區（包括北京市、天津市和唐山市）和四川盆 地（主要是四川省）等區域，氣溶膠光學厚度最 大值在0.6～0.8的范圍；低值區主要位于青藏高原上，范圍較小，新疆地區由于處于沙漠或半荒漠地帶，目前的反演方法無法得到可見光波段下高亮度地表的氣溶膠光學厚度，大部分地區為未獲得數據的區域。

為了研究四個典型區域夏季光學厚度的年變化，本文給出了氣溶膠光學厚度2001～2011年夏季的變化特征，數據取自圖中區域的平均值（圖1b）。長三角地區和京津唐工業區夏季氣溶膠光學厚度的年平均值較為接近，分別為0.68和0.61，珠三角區域和四川盆地年平均值相對較小，分別為0.40和0.45。長三角地區、京津唐工業區氣溶膠光學厚度有上升的趨勢，年增幅分別為1.44%和0.59%（見表1），主要可能是因為兩地人為氣溶膠排放在近十年呈上升的趨勢（張強等，2012）；珠三 角區域近十年來氣溶膠有顯著降低的趨勢，年降幅為3.31%；四川盆地氣溶膠光學厚度變化趨勢不明顯。

表1 四個區域夏季氣溶膠—云—降水變化趨勢*

*加粗字體表示通過95%信度相關系數檢驗

本文得到的氣溶膠光學厚度年際變化趨勢與其他結果類似。表2中基于MODIS的結果較為接近，長三角地區夏季氣溶膠光學厚度在0.48～0.90之間，四川盆地氣溶膠光學厚度變化范圍為0.42～0.64，京津唐工業區和珠三角區域的結果相對于關佳欣和李成才（2009）的研究結果偏低。四個典型區域中除珠三角區域外，其余區域2001～2011年均呈增長趨勢，與其他研究結果（宗雪梅等，2005；秦世廣等，2010；白淑英等, 2012）相似。珠三角區域的變化特征可能是因為本文選取的區域較大造成的；同時在2007年以后，珠三角區域夏季氣溶膠有明顯下降趨勢。

表2 夏季氣溶膠光學厚度的對比

3.1.2 云微物理參數時空分布

云微物理參數主要包括云的光學厚度、云滴有效粒子半徑、云的液水路徑和云頂溫度等，本文選取了前三個參數，其中云滴有效粒子半徑分為冰云和水云兩種，在不同的相態下，這兩種參數有著一定的差異，本文分別進行了分析，主要結果分別見圖2到圖4。中部地區云的光學厚度明顯高于其他區域（圖 2a），其中在四川盆地和陜西南部比周圍平均高出約15%以上，分布情況與四川、陜西平原分布非常接近。四川盆地區域由于地形的原因，內部的風速較小，水平擴散相對較弱，氣溶膠集中于盆地內部，同時濕度較大，導致四川盆地常年為云覆蓋，云的光學厚度明顯較高。四川盆地夏季云光學厚度年平均達到24以上，新疆大部地區夏季年平均云光學厚度在9～12之間，相對于大陸上其他區域較小；海洋上云光學厚度小于陸地，原因可能是海洋上云凝結核濃度較低。選取的四個區域夏季云光學厚度的年際變化如圖2b所示，其中四川盆地年平均云光學厚度相對最高，達到了23.4，長三角地區與京津唐工業區云光學厚度近似，年平均值分別為18.9和19.0，珠三角區域云光學厚度最低，年平均值在18.4。總體上云的光學厚度都呈降低的趨勢，珠三角區域降幅最大，年降幅為－2.22%（表1）。

圖1 夏季MODIS氣溶膠光學厚度的分布:（a）2001～2011年平均;（b）長三角地區、珠三角區域、京津唐工業區和四川盆地的年際變化

圖2 同圖1，但為云光學厚度

冰云的云滴有效粒子半徑分布特征如圖3a所示，四川盆地的數值明顯低于其他區域，有效粒子半徑在22 μm左右，東北地區和海洋上的有效粒子半徑相對較高，最大值在28 μm左右。圖3b給出了四個典型區域年均值的變化，可以觀察到長三角地區、京津唐工業區有微弱的上升趨勢，珠三角區域和四川盆地有降低的趨勢。其中京津唐工業區數值最高，年均值在25.5 μm，四川盆地數值最低，年均值在21.7 μm，長三角地區和珠三角區域的年均值分別為24.7 μm和24.5 μm。

圖3 夏季MODIS（a、b）冰云和（c、d）水云云滴有效粒子半徑的分布：2001～2011年平均（左列）；（b、d）長三角地區、珠三角區域、京津唐工業區和四川盆地的年際變化（右列）

水云的云滴有效粒子半徑分布特征如圖3c所示，四川盆地的數值明顯低于其他區域，有效粒子半徑在12 μm左右，其他區域云滴有效粒子半徑由南向北呈增加趨勢，最大值在18 μm以上。四個典型區域中京津唐工業區有微弱的上升趨勢，長三角地區、珠三角區域和四川盆地均有降低的趨勢（圖3d）。其中珠三角區域數值最高，年均值在15.3 μm，四川盆地數值最低，年均值在12.9 μm，長三角地區和京津唐工業區的年均值分別為13.7 μm和12.7 μm。

水云的云滴有效粒子半徑均呈減小的趨勢，而冰云則有部分呈增加的趨勢（表1），其中四川盆地區域冰云和水云的云滴有效粒子半徑均有顯著的減小，年降幅為0.42%和0.49%。

云水路徑是衡量云層含水量的參數，2001～2011年夏季云水路徑的年平均分布情況如圖4a所示，高值區主要集中于我國的中部地區，其中最大值達到了300 gm?2，低值區主要集中在新疆東南部，平均值在125～150 g m?2左右。四川盆地年均值最大，達到了242.2 g m?2，珠三角區域年平均值在237.4 g m?2，長三角地區和京津唐工業區的年均值分別為228.4 g m?2和218.6 g m?2。圖4 b給出了四個區域的分布情況，可以看出，這四個區域的云的液態水路徑近年來均呈降低的趨勢，其中四川盆地最為顯著，年變化為－1.26%（表1）。

圖4 同圖1，但為云水路徑

圖5 同圖1，但為TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水率

圖6 四個區域（長三角地區、珠三角區域、京津唐工業區和四川盆地）MODIS氣溶膠光學厚度與云光學厚度相關性（N代表樣本量）

3.1.3 降水時空分布

我國降水的分布總體呈現由東南沿海向西北內陸遞減的趨勢，圖5a是2001～2011年夏季平均降水的空間分布，高值區主要集中于我國華南地區，夏季降水強度可以達到6 mm d?1，低值區主要集中于新疆地區，夏季降水強度小于1 mm d?1。四個典型區域降水的年變化如圖5b所示，其中珠三角區域年平均降水最大，平均為8.6 mm d?1，京津唐工業區年平均降水最小，平均為3.6 mm d?1，長三角地區和四川盆地年平均降水分別為6.3 mm d?1和5.4 mm d?1。從夏季降水的年際變化可以發現（表1），京津唐工業區夏季降水有顯著增加的趨勢，年增幅為3.24%。

3.2 氣溶膠—云—降水的相互影響

氣溶膠對云和降水的影響主要包括兩種間接效應（Bréon et al., 2002），其中第一間接效應（Twomey et al., 1997）增加了云中的凝結核，云滴有效粒子半徑的減小造成了云光學厚度的增加；第二間接效應（Albrecht，1989）造成云滴有效粒子半徑減小，進而抑制降水，延長了云的生命史。

為了減小天氣系統和衛星數據缺失的影響，本文將氣溶膠光學厚度的間隔在0.1以內的劃分為一檔，通過分析在不同氣溶膠光學厚度下的云微物理參數的分布，研究了氣溶膠光學厚度與云光學厚度、云滴有效粒子半徑、云水路徑、云頂溫度以及降水的關系。

3.2.1 氣溶膠與云光學厚度

氣溶膠粒子作為云凝結核的主要來源，影響云的形成，云凝結核濃度伴隨著氣溶膠粒子濃度的增加而增大，所以云光學厚度受到氣溶膠光學厚度的影響。

不同氣溶膠光學厚度條件下，四個典型區域云光學厚度的變化有明顯的差異（圖6）。長三角地區和京津唐工業區，氣溶膠光學厚度增大時，云光學厚度顯著增加（分別通過99%和95%的置信度檢驗）；珠三角區域和前面兩個區域有相同的變化趨勢，但是未通過顯著性檢驗；而在四川盆地，云光學厚度和氣溶膠光學厚度呈負相關。

3.2.2 氣溶膠與云滴有效粒子半徑

氣溶膠和云滴有效粒子半徑相互關系在云量較多或者較少的情況下差異較大，在云量較多時，無法獲取氣溶膠光學厚度的資料，在云量較少時，氣溶膠對云的影響變化很大。在研究氣溶膠和云滴有效粒子半徑的相互影響時，選取了云量在兩成至八成之間的氣溶膠和云滴有效粒子半徑數據，圖7 a–d給出了四個典型區域冰云和水云的云滴有效粒子半徑隨氣溶膠光學厚度的變化。氣溶膠光學厚度增加，長三角地區、京津唐工業區和四川盆地水云云滴有效粒子半徑增加，珠三角區域無明顯變化；冰云的云滴有效粒子半徑有較大差異，長三角地區和珠三角區域冰云有效粒子半徑與氣溶膠呈負相關。在氣溶膠光學厚度相同的情況下，冰云的云滴有效粒子半徑高于水云，負相關也更明顯。氣溶膠光學厚度受數濃度、化學組分和消光系數的影響，在氣溶膠光學厚度增加時，數濃度不一定隨之線性增加；另一方面，云滴有效粒子半徑受到的影響相對較為復雜，水汽、云底高度等差異較大，故而氣溶膠和云滴有效粒子例子半徑的相關性在不同區域差異較大。

圖7 四個區域MODIS氣溶膠與云滴有效粒子半徑的相互作用：（a）長三角地區；（b）京津唐工業區；（c）四川盆地；（d）珠三角區域

在不同的云頂溫度下，云滴有效粒子半徑的變化反映了云微物理過程的差異（Rosenfeld and Lensky，1998）。海洋性云在溫度大于－10°C的情況下就開始凝結成冰核，而大陸性云在－15°C至－20°C才開始凝結。圖8a–d顯示了在不同氣溶膠濃度下，四個區域的云滴有效粒子半徑隨云頂溫度的變化，其中虛線代表了14 μm的降水的分界 線，即在此以上云滴易形成降水（Rosenfeld and Cutman，1994）。

圖8 四個區域云南有效粒子半徑與云頂溫度影響的相互作用：（a）長三角地區；（b）京津唐工業區；（c）四川盆地；（d）珠三角區域

在氣溶膠濃度較低的情況下（AOD＜0.25），京津唐工業區和四川盆地平均云滴有效粒子半徑的增長較慢，并且在溫度－10～0°C時才超過了14 μm的降水分界線；長三角地區（圖8a）和珠三角區域（圖8d）的變化特征有明顯差異，云滴有效粒子半徑在0～10°C以上就超過了分界線。夏季云頂溫度明顯較高，長三角地區和珠三角區域符合海洋性云的特征，京津唐工業區（圖8b）和四川盆地（圖8c）則為大陸性云。氣溶膠濃度的增加導致云滴有效粒子半徑的變化有了明顯的差異，在大陸性云中形成明顯的混合相區域，云滴迅速轉為冰核，形成降水；在海洋性云中則沒有觀察到這個現象。在氣溶膠濃度較大時，海洋性云的云頂溫度明顯低于大陸性云，云滴有效粒子半徑也較大，氣溶膠濃度的增加導致了海洋性云對流活動更加旺盛。在云頂溫度較高的情況下，云滴有效粒子半徑隨著氣溶膠光學厚度的增加而增加，而在冰相區域，則隨著氣溶膠光學厚度的增加而減少。四個典型區域中，京津唐工業區氣溶膠濃度高，水汽相對較少，珠三角區域水汽充足，氣溶膠濃度相對較低。在冰相區域，氣溶膠第一間接效應顯著，氣溶膠的增加伴隨著云滴有效粒子半徑的減少，而在液相區域氣溶膠對云滴有效粒子半徑的影響相對復雜。

3.2.3 氣溶膠與云水路徑

云水路徑受溫度、濕度的影響較大，目前對氣溶膠對云水路徑的影響研究結果差異很大。Ackerman et al.（2004）利用流體動力學模式模擬研究的結果表明氣溶膠濃度增加不一定使云水路徑增加，還取決于濕度廓線的分布情況。

四個典型區域的統計研究的結果顯示，除四川盆地外，云水路徑隨著氣溶膠光學厚度的增加而增大（圖9）。氣溶膠光學厚度增加，長三角地區云水路徑迅速增加，增加趨勢通過99%的信度檢驗；京津唐工業區和珠三角區域增加趨勢不顯著；而四川盆地云水路徑顯著減少。

3.2.4 氣溶膠與降水

氣溶膠與降水的相互影響較為復雜，一方面氣溶膠數濃度的增加可能降低云滴有效粒子半徑，推遲或者抑制降水；另一方面降水是氣溶膠粒子濕清除的主要方式。

在高污染的情況下（AOD＞0.5），大雨（＞10 mm d?1）發生率的明顯高于低污染的情況（AOD＜0.5），珠三角區域的大雨發生率增加最多，為19.1%，四川盆地增加了6.6%，相對其他區域較小，長三角地區和京津唐工業區分別增加了10.5%和14.3%；同時，高污染的條件下小雨（＜1 mm d?1）的頻率要低于低污染的情況，京津唐工業區變化最大，降低了7.3%，長三角地區最小，為0.7%，珠三角區域和四川盆地分別為1.8%和1.9%。在高污染情況下，北方小雨發生率明顯降低（圖10），這與Niu and Li（2012）利用CALIPSO衛星資料得到的結果類似。氣溶膠光學厚度的增加，抑制了北方夏季小雨的發生，而更容易形成對流性降水，大雨發生率明顯提高。

圖9 四個區域（長三角地區、珠三角區域、京津唐工業區和四川盆地）MODIS氣溶膠與云水路徑的相關性（N代表樣本量）

圖10 四個區域（長三角地區、珠三角區域、京津唐工業區和四川盆地）不同氣溶膠條件下的降水率。a: AOD＜0.5；b: AOD＞0.5

4 結論與討論

本文主要利用多源衛星2001～2011年夏季的月平均和日平均資料，分析了氣溶膠—云—降水的時空分布特征，以及氣溶膠與云微物理特征量和降水的相互關系。結果表明：

（1）我國夏季氣溶膠光學厚度高值區主要集中在長三角地區、珠三角區域、京津唐工業區和四川盆地，其中長三角地區平均值最大。近十年氣溶膠光學厚度在南方顯著降低，北方略有上升；四川盆地的云滴有效粒子半徑和云水路徑顯著降低；北方降水顯著增加；

（2）氣溶膠對云物理特征有明顯影響，氣溶膠光學厚度和云光學厚度、云水路徑呈正相關，與云滴有效粒子半徑關系較為復雜，在水汽含量較低的情況下氣溶膠光學厚度和云滴有效粒子半徑呈負相關；

（3）氣溶膠和降水的關系復雜，氣溶膠可能增強了南方對流性降水，抑制了北方的層云降水。

本文在分析時未考慮層狀云和對流云等不同類型的差異，可能是部分云微物理參數與氣溶膠光學厚度相關系數差異較大的原因。同樣，在研究氣溶膠對降水的影響時也只是考慮了降水率的差異，并未對降水類型進行細分，在今后的研究中將進一步進行分析討論。

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The Spatial and Temporal Characteristics of Aerosol?Cloud?Precipitation Interactions during Summer in East Asia

SHI Rui, WANG Tijian, LI Shu, ZHUANG Bingliang, JIANG Ziqiang, LIAO Jingbiao, and YIN Changqin

,210093

Aerosol–cloud–precipitation has an effect on the East Asian summer monsoon, and it is of great importance to analyze the relation amongst them. In this study, we use aerosol optical depth and cloud data from MODIS on board the Terra satellite and precipitation data from TRMM to study spatial and temporal characteristics of aerosol–cloud–precipitation interactions (ACPI). We also analyze ACPI with statistical methods. The aerosol optical depth ranges from 0.4 to 0.68 with an obvious decreasing trend in Pearl River Delta. The highest annual cloud optical depth is 23.6 and lowest 18.7. The cloud drop effective radius is ranges from 20.2 to 25.6 μm for ice clouds and 12.9 to 15.3 μm for liquid clouds. Cloud water paths range from 222.2 to 243.3 g m?2. The precipitation rate was 3.6 to 8.6 mm d?1. Aerosol optical depth was positively correlated with cloud optical depth (the highest, 0.77, was observed in Yangtze River Delta) and changes the cloud drop effective radius. Aerosol optical depth also has a positive correlation with cloud water path (the highest 0.92 in YRD). Heavy rains occur much more frequently under heavily-polluted conditions than lightly-polluted conditions and light rains show the opposite trend. The composition and vertical distribution of aerosols have an important effect on ACPI and need more research.

Aerosol, Cloud, Precipitation, Satellite data

1006–9895(2015)01–0012–11

P426

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1404.13276

2013?10?09；網絡預出版日期 2014?04?21

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目2011CB403406、2014CB441203，國家人才培養基金項目J1103410

石睿，男，1989年出生，碩士研究生，主要從事氣溶膠—云—輻射和東亞季風相互影響的資料研究。E-mail: shirui23@126.com

王體健，E-mail: tjwang@nju.edu.cn